發(fā)酵工程原理與技術(shù)應(yīng)用

1、發(fā)酵復(fù)習(xí)資料1, 發(fā)酵工程原理與技術(shù)應(yīng)用：2, 發(fā)酵工業(yè)的特點：1一步生產(chǎn)：微生物發(fā)酵是由一系列極其復(fù)雜的生化反應(yīng)組成，反應(yīng)所需的各種酶均包含在微生物細胞內(nèi)。 2.反應(yīng)條件溫和3.原料純度要求低：常以農(nóng)副產(chǎn)品作原料，如薯干、麩皮等。原料來源豐富，價格低廉。 4.設(shè)備的通用性高: 對微生物發(fā)酵來說，無論好氧發(fā)酵還是厭氧發(fā)酵，它們的發(fā)酵設(shè)備都大同小異，即好氧的一般都用攪拌式發(fā)酵罐加空氣過濾系統(tǒng)。厭氧發(fā)酵都用密封式發(fā)酵罐。 5.對環(huán)境的污染相對較小：發(fā)酵所用的原料是農(nóng)副產(chǎn)品，廢水中雖然生物需氧量（BOD）、化學(xué)需氧量（COD）較高，但有毒物質(zhì)少。6.生產(chǎn)受自然條件限制小3，工業(yè)發(fā)酵的類型：按微生物對

2、氧的需求可分為需氧發(fā)酵、厭氧發(fā)酵以及兼性厭氧發(fā)酵。按培養(yǎng)基物理性狀可分為液體發(fā)酵和固體發(fā)酵。按工藝流程分為分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵（又分為單級恒化器連續(xù)發(fā)酵、多級恒化器連續(xù)發(fā)酵及帶有細胞再循環(huán)的單級恒化器連續(xù)發(fā)酵）和補料發(fā)酵。4，發(fā)酵生產(chǎn)的工藝流程：用作種子擴大培養(yǎng)及發(fā)酵生產(chǎn)的各種培養(yǎng)基的配制； 培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備的滅菌擴大培養(yǎng)有活性的適量純種，以一定比例將菌種接入發(fā)酵罐中；控制量適的發(fā)酵條件使微生物生長并形成大量的代謝產(chǎn)物；將產(chǎn)物提取并精制，以得到合格的產(chǎn)品；回收或處理發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的三廢物質(zhì)。5，發(fā)酵工業(yè)菌種品種：細菌 枯草芽孢桿菌、醋酸桿菌、棒狀桿菌、短桿菌等放線菌鏈霉菌屬、小單胞菌

3、屬酵母啤酒酵母、假絲酵母、類酵母等霉菌根霉、毛霉、犁頭霉、紅曲霉、曲霉及青霉等未培養(yǎng)微生物6，發(fā)酵工業(yè)對菌種的要求：1， 能夠利用廉價的原料，簡單的培養(yǎng)基，大量高效地合成產(chǎn)物2，有關(guān)合成產(chǎn)物的途徑盡可能地簡單，或者說菌種改造的可操作要強3，遺傳性能要相對穩(wěn)定4，不易感染它種微生物或噬菌體5，產(chǎn)生菌及其產(chǎn)物的毒性必須考慮（在分類學(xué)上最好與致病菌無關(guān)）6，生長快，發(fā)酵周期短，生產(chǎn)特性要符合工藝要求7，培養(yǎng)條件易于控制7，微生物菌種的分離篩選的步驟：定方案采樣：有針對性地采集樣品樣品預(yù)處理富集培養(yǎng)菌種分離菌種的初篩和復(fù)篩菌種發(fā)酵性能鑒定菌種保存8，次級代謝：最初定義為由微生物合成，但對其自身的生長、

4、繁殖和發(fā)育并沒有影響的一類物質(zhì)的過程。,初級代謝：通常把微生物產(chǎn)生的對自身生長和繁殖必須的物質(zhì)稱為初級代謝產(chǎn)物，而產(chǎn)生這些物質(zhì)的代謝體系或過程稱為初級代謝。分為：分解代謝和合成代謝。 9，誘變育種中需考慮的若干因素： 選擇合適的出發(fā)菌株；復(fù)合誘變劑的使用（擴大基因突變的頻率）；誘變劑劑量的選擇（對不同微生物使用誘變劑的劑量是不同的）；變異菌株的篩選10，誘變育種的基本步驟：出發(fā)菌株的選擇處理菌懸液的制備誘變處理中間培養(yǎng)分離和篩選11，退化機理及其防止措施：菌種退化主要指生產(chǎn)菌種或選育過程中篩選出來的較優(yōu)良菌株，由于進行接種傳代或保藏之后，群體中某些生理特征和形態(tài)特征逐漸減退或完全喪失的現(xiàn)象。主

5、要原因：基因突變、連續(xù)傳代。采用減少傳代、經(jīng)常純化、創(chuàng)造良好的培養(yǎng)條件、用單細胞移植傳代以及科學(xué)保藏等措施，不但可以使菌種保持優(yōu)良的生產(chǎn)能力，而且還能使已退化的菌種得到恢復(fù)提高。12，設(shè)計適宜于工業(yè)大規(guī)模發(fā)酵的培養(yǎng)基應(yīng)遵守的原則：必須提供合成微生物細胞和發(fā)酵產(chǎn)物的基本成分。有利于減少培養(yǎng)基原料的單耗，即提高單位營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率。有利于提高產(chǎn)物的濃度，以提高單位容積發(fā)酵罐的生產(chǎn)能力。有利于提高產(chǎn)物的合成速度，縮短發(fā)酵周期。盡量減少副產(chǎn)物的形成，便于產(chǎn)物的分離純化，并盡可能減少“三廢”物質(zhì).原料價格低廉，質(zhì)量穩(wěn)定，取材容易。所用原料盡可能減少對發(fā)酵過程中通氣攪拌的影響，利于提高氧的利用率，降低能耗

6、。13，碳源作用及常見種類：1、作用：提供微生物菌種的生長繁殖所需的能源和合成菌體所必需的碳成分 ；提供合成目的產(chǎn)物所必須的碳成分。2、來源：糖類、油脂、有機酸、正烷烴、低碳醇。（特殊情況下，如碳源缺乏時， 水解物或氨基酸等也可被微生物視為碳源使用）14，氮源：主要用于構(gòu)成菌體細胞物質(zhì)（氨基酸，蛋白質(zhì)、核酸等）和含氮代謝物。常用的氮源可分為兩大類：有機氮源和無機氮源。 15，生長調(diào)節(jié)物質(zhì)包括生長因子、前體、產(chǎn)物抑制劑和促進劑16，培養(yǎng)基類型：培養(yǎng)基按其組成物質(zhì)的純度可分為合成培養(yǎng)基和天然培養(yǎng)基；按其狀態(tài)可分為固體培養(yǎng)基、半固體培養(yǎng)基和液體培養(yǎng)基；按其用途可分為孢子（斜面）培養(yǎng)基、種子培養(yǎng)基和發(fā)

7、酵培養(yǎng)基三種。 17，碳氮比對菌體代謝調(diào)節(jié)的重要性（作業(yè)，正交實驗）：培養(yǎng)基中碳氮比對微生物生長繁殖和產(chǎn)物合成的影響極為顯著。氮源過多，會使菌體生長過于旺盛，PH偏高，不利于代謝產(chǎn)物的積累；氮源不足，則菌體繁殖量少，從而影響產(chǎn)量。碳源過多則容易形成較低的Ph;若碳源不足則容易引起菌體的衰老和自溶。微生物在不同生長階段對碳氮比的最適要求也不一樣。一般，因為碳源既作為碳骨架參與菌體和 的合成又作為生命過程中的能源，所以比例要求比氮源高。18，不同發(fā)酵時期染菌對發(fā)酵的影響即如何讓處理（1）種子培養(yǎng)期染菌 由于接種量較小，生產(chǎn)菌生長一開始不占優(yōu)勢，而且培養(yǎng)液營養(yǎng)豐富，培養(yǎng)液中幾乎沒有抗生素（產(chǎn)物）或只

8、有很少抗生素（產(chǎn)物）。因而它防御雜菌能力低，容易污染雜菌。如在此階段染菌，應(yīng)將培養(yǎng)液全部廢棄。（2）發(fā)酵前期染菌 發(fā)酵前期最易染菌，且危害最大。原因 ：發(fā)酵前期菌量不很多，與雜菌沒有競爭優(yōu)勢；且還未合成產(chǎn)物或產(chǎn)生很少，抵御雜菌能力弱。在這個時期要特別警惕以制止染菌的發(fā)生。染菌措施 ： 可以用降低培養(yǎng)溫度，調(diào)整補料量，用酸堿調(diào)pH值，縮短培養(yǎng)周期等措施予以補救。如果前期染菌，且培養(yǎng)基養(yǎng)料消耗不多，可以重新滅菌，補加一些營養(yǎng)，重新接種再用。（3）發(fā)酵中期染菌 發(fā)酵中期染菌會嚴重干擾產(chǎn)生菌的代謝。雜菌大量產(chǎn)酸，培養(yǎng)液pH下降；糖、氮消耗快，發(fā)酵液發(fā)粘，菌絲自溶，產(chǎn)物分泌減少或停止，有時甚至?xí)挂旬a(chǎn)生

9、的產(chǎn)物分解。有時也會使發(fā)酵液發(fā)臭，產(chǎn)生大量泡沫。措施 ： 降溫培養(yǎng)，減少補料，密切注意代謝變化情況。如果發(fā)酵單位到達一定水平可以提前放罐，或者抗生素生產(chǎn)中可以將高單位的發(fā)酵液輸送一部分到染菌罐，抑制雜菌。（4）發(fā)酵后期染菌 發(fā)酵后期發(fā)酵液內(nèi)已積累大量的產(chǎn)物，特別是抗生素，對雜菌有一定的抑制或殺滅能力。因此如果染菌不多，對生產(chǎn)影響不大。如果染菌嚴重，又破壞性較大，可以提前放罐。19，雜菌污染的途徑、防治：（1）種子帶菌 防治：1，培養(yǎng)基及器皿徹底滅菌2，制備種子時對沙土管及搖瓶嚴格加以控制3，沙土制備時要多次間歇滅菌4，注意接種時的無菌操作5，子瓶，母瓶的移種和培養(yǎng) 6，無菌室和搖床間都要保持清

10、潔，無菌室內(nèi)要供給恒溫恒濕的無菌空氣，還要裝紫外燈用以滅菌，活用化學(xué)藥品滅菌。（2）設(shè)備的滲漏或“死角”1，設(shè)備滲漏染菌主要指發(fā)酵設(shè)備，管道，閥門等長期使用過程中，由于化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕，腐蝕，加工制作不良等原因造成微小漏孔后發(fā)生滲漏而染菌。預(yù)防：先用優(yōu)質(zhì)材料，定期檢查（水式試漏法，集氣桶試漏，涂煤油）2，設(shè)備“死角”是指由于操作，設(shè)備結(jié)構(gòu)或人為因素造成的屏障等原因，使蒸汽不能到達預(yù)訂的滅菌部位或該部位的冷空氣不易在加熱過程中排凈，從而不能達到徹底滅菌要求的部位。a，發(fā)酵罐的死角 預(yù)防：加強清洗并定期鏟除污垢。在發(fā)酵罐設(shè)計制造時在一些死角部位專門設(shè)計一路小徑蒸汽管道通達此處進行專門滅菌處理。

11、b，管道安裝不當(dāng)或配置不合理形成的“死角” 預(yù)防：采用單獨的排氣，排水，排污管。法蘭的加工，焊接和安裝要符合滅菌要求，墊片內(nèi)徑與法蘭內(nèi)徑要匹配，安裝時對準中心，同時盡可能減少連接法蘭。（3）空氣帶菌預(yù)防：a，正確選擇采氣口，高空采氣或裝前置粗過濾器。b，根據(jù)氣候條件，設(shè)計合理空氣預(yù)處理流程，盡可能減少過濾空氣的含油量和濕度。c，設(shè)計和安裝合理的空氣過濾器，防止其失效，選用除菌效率高的過濾介質(zhì)。(4)培養(yǎng)基滅菌不徹底1，原料性狀的影響固形物含量多的原料，升溫過快或混合不均勻時容易結(jié)塊，塊中菌不易被消滅。 預(yù)防：采用實罐滅菌為好，在升溫前先攪拌混合均勻，并加入一定量的淀粉酶進行液化。如有大顆粒，可

12、先過篩除去，再進行滅菌。2，滅菌時溫度與壓力不對由于操作不合理，未將罐內(nèi)的冷空氣完全排除，造成壓力表顯示“假壓”，蒸汽壓力不足，達不到要求溫度。預(yù)防：實罐滅菌升溫時，打開所有液面下的進氣閥和液面上的排氣閥及有關(guān)連接管的邊閥、壓力表的接管邊閥等，使蒸汽通過，從而徹底滅菌。3，滅菌過程中產(chǎn)生大量泡沫嚴重時泡沫可上升頂甚至逃逸，雜菌很容易藏在泡沫中。預(yù)防：加入少量消泡劑。4，培養(yǎng)基成分 油脂，糖類及一定濃度的蛋白質(zhì)增加了微生物的耐熱性，高濃度有機物會在細胞周圍形成一層薄膜，從而影響熱的傳入。預(yù)防：滅菌溫度應(yīng)高些。 5，培養(yǎng)基ph ph越低，微生物耐熱能力越差。預(yù)防：ph在6.0-8.0時，適當(dāng)延長滅

13、菌時間。6，培養(yǎng)基物理狀態(tài) 固體培養(yǎng)基傳熱系數(shù)比液體小的多且無對流作用。預(yù)防：固體培養(yǎng)基滅菌時間長。7，培養(yǎng)基中微生物數(shù)量 天然培養(yǎng)基含菌量多應(yīng)適當(dāng)延長滅菌時間。含芽孢桿菌多的培養(yǎng)基應(yīng)適當(dāng)升溫和延長時間。（5）操作不當(dāng) 預(yù)防：操作一定要嚴格規(guī)范，防治操作失誤引起染菌。（6）噬菌體染菌 噬菌體感染能力非常強，傳播蔓延迅速，發(fā)酵體系易受其污染。防治：以凈化壞境為中心的綜合防治法。20，無菌技術(shù)包括：干熱滅菌法原理：利用高溫對微生物有氧化、蛋白質(zhì)變性和電解質(zhì)濃縮作用而殺滅微生物；濕熱滅菌法原理：蒸汽冷凝放出大量潛熱，具有穿透力，且在高溫有水分條件下，蛋白質(zhì)易變性；射線滅菌法原理：利用高能量的電磁輻射

14、與菌體核酸的光化學(xué)反應(yīng)造成菌體死亡；化學(xué)藥劑滅菌法原理：藥物與微生物細胞中的成分反應(yīng)，使蛋白質(zhì)變 性酶失活；過濾除菌法原理：利用微生物不能透過濾膜除菌；火滅菌法原理：利用火焰直接殺死微生物。20，（作業(yè)） 為何產(chǎn)用高溫短時滅菌k=A e (E / RT) EE 由于滅菌時殺死微生物的活化能E大于培養(yǎng)基成分破壞的活化能E，因此隨著溫度的上升，微生物比死亡速率常數(shù)增大倍數(shù)要大于培養(yǎng)基成分破壞分解速率常數(shù)的增加倍數(shù)。也就是說，當(dāng)滅菌溫度升高時，微生物死亡速率大于培養(yǎng)基成分破壞的速率。根據(jù)這一理論，培養(yǎng)基滅菌一般選擇高溫快速滅菌法，換言之，為達到相同的滅菌效果，提高無菌溫度可以明顯縮短滅菌時間，并減少

15、培養(yǎng)基因受熱時間長而遭到破壞的損失。21，溫?zé)釡缇膶?shù)殘留定律dN / dt =- k N N：菌體個數(shù)（個） t: 滅菌時間（min）k：反應(yīng)速度常數(shù)（min-1）dN / dt: 菌受熱死亡速率(個/min)22，種子培養(yǎng)：是指將冷凍干燥管，沙土管中處于休眠狀態(tài)的工業(yè)菌種接入試管斜面活化后，再經(jīng)過搖瓶及種子罐逐級擴大培養(yǎng)而獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種的過程，這種純培養(yǎng)物稱為種子。種齡：種齡是指種子的培養(yǎng)時間。接種齡是指種子罐中培養(yǎng)的菌絲體轉(zhuǎn)入下一級種子罐或發(fā)酵罐時的培養(yǎng)時間23，分批發(fā)酵：是一種準封閉培養(yǎng)的例子，是指一次性投料、接種直到發(fā)酵結(jié)束，此過程中發(fā)酵液始終留在發(fā)酵罐內(nèi)。因此分批發(fā)酵的

16、過程屬于典型的非穩(wěn)態(tài)過程。連續(xù)發(fā)酵：在分批發(fā)酵時向發(fā)酵罐以適當(dāng)?shù)乃俾侍砑有迈r培養(yǎng)基和放出等量的發(fā)酵液，則可以獲得一個相對穩(wěn)定的連續(xù)發(fā)酵狀態(tài)，即在發(fā)酵罐中形成的新細胞數(shù)量與從發(fā)酵罐中流出的細胞數(shù)量相等。24，影響微生物耗氧的因素1， 微生物本身遺傳特征的影響2， 培養(yǎng)基的成分和濃度3， 菌齡4， 發(fā)酵條件5， 代謝類型25，泡沫的危害：主要表現(xiàn)在：1降低了發(fā)酵罐的裝料系數(shù)。發(fā)酵罐的裝料系數(shù)一般取0.7通常充滿余下空間的泡沫約占所需培養(yǎng)基的10%，且其余成分也不完全與主題培養(yǎng)基相同。2增加了菌群的非均一性。由于泡沫高低的變化和處在不同生長周期的微生物隨泡沫漂浮或粘附在罐壁上，使這部分的菌體有時在氣

17、相環(huán)境中生長，引起菌的分化甚至自溶，從而影響了菌群的均一性。3增加了污染雜菌的機會。發(fā)酵液濺到軸封等處，容易染菌。4大量起泡，控制不及時回導(dǎo)致“逃液”，導(dǎo)致產(chǎn)物流失。5消泡劑的加入有時會影響發(fā)酵產(chǎn)量或給下游分離純化與精致工序帶來麻煩。26，放罐時間對下游的影響放罐時間過早，會殘留過多的養(yǎng)分如糖，脂肪，可溶性蛋白等，增加提取工藝段的負擔(dān)。若放罐太晚，菌絲自溶，不僅會延長過濾時間，還可能使一些不穩(wěn)定的產(chǎn)物濃度下降，擾亂提取工藝階段的工作計劃。27，發(fā)酵罐的類型：通用式發(fā)酵罐，氣升式發(fā)酵罐，管道式發(fā)酵罐，固定化發(fā)酵罐，自吸式發(fā)酵罐，伍式發(fā)酵罐。28，攪拌器的類型平葉式、彎葉式、箭葉式,29，全擋板條

18、件：指在一定轉(zhuǎn)速下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。30，機械攪拌發(fā)酵罐基本條件1， 發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的徑高比。罐身越高，氧的利用率越高。2， 發(fā)酵罐能承受一定的壓力。3， 要保證發(fā)酵液必須的溶氧量。4， 發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積。5， 攪拌器的軸封應(yīng)嚴密，防染菌和減少泄露。6， 發(fā)酵罐內(nèi)應(yīng)盡量減少死角，避免藏污納垢，滅菌能徹底，避免染菌。31，自吸式的特點1， 不必配備空氣壓縮機及其附屬設(shè)備，節(jié)約投資。2， 設(shè)備簡單，溶氧速率高，能耗較低。3， 用于酵母生產(chǎn)和醋酸發(fā)酵生產(chǎn)效率高。4， 設(shè)備便于自動化，連續(xù)化。32，文飾管發(fā)酵罐的原理和優(yōu)點原理：用泵將發(fā)酵液送入文氏管中，由于發(fā)酵液在文氏管的收縮段中流速增加，形成真空，將空氣吸入，并使氣泡分散與液體混合均勻，提高發(fā)酵液的溶解氧。優(yōu)點：吸氧的效率高，氣，液，固三相均勻混合，設(shè)備簡單，無需空氣壓縮機及攪拌器，動力消耗省。33，清潔生產(chǎn)的定義：“清潔生產(chǎn)”定義為對生產(chǎn)過程和產(chǎn)品實施綜合防治戰(zhàn)略，以減少對人類和環(huán)境的風(fēng)險。對生產(chǎn)過程，包括節(jié)約原材料和能源，革除有毒材料，減少所有排放物的排放量和毒性；對產(chǎn)品來說，則要減少從原材料到最終處理的產(chǎn)品的整個生命周期對人類健康和環(huán)境的影響。34，清潔生產(chǎn)與末端治理的比較：清潔生產(chǎn)是對生產(chǎn)全過程以及產(chǎn)品整個生命周期